Оружие нетрадиционных схем

[IRINA-22]

(Оффтоп)

Justsinner в сообщении #524885 писал(а):

О том что я не представляю возможным метать жидкость как артиллерийский снаряд пускай и в замороженном виде. Что за бред? Самая наверное убойная жидкость это царская водка, но и она испарившись по пути полёта или куском льда разбившись о машину

[Парджеттер]

Justsinner, замечание за троллинг и бред.

[909]

Евгений Машеров в сообщении #492073 писал(а):

И, возвращаясь к начальному вопросу:

Цитата:

Как вы думаете, есть ли будущее у артиллерийских орудий т.н. нетрадиционных схем? Под этим я подразумеваю различные схемы вроде легкогазовых пушек, электромагнитных орудий, орудий на ЖМВ и так далее.

Хотелось бы даже обсудить не только будущее этих схем, но и вообще обсудить схемы. Какие преимущества, недостатки, почему не реализованы, кто разрабатывал, какие препятствия и так далее.

ИМХО.

0. Главная проблема тут - воздух. Увеличение начальной скорости при вылете из ствола съестся сопротивлением воздуха (отчасти снимается при сверхдальней стрельбе, когда в плотных слоях лишь начальный и конечный участок траектории, но лишь отчасти), а флуктуации плотности атмосферы резко снижают точность. Поэтому принципиальных изменений на Земле я не ожидаю.
1. Легкогазовые пушки так и останутся лабораторным стендом. Слишком тяжелы для космоса, на больших дистанциях бесполезны, а задача пробития брони при стрельбе в упор куда дешевле решается кумулятивными боеприпасами. Только исследования, где имеет смысл посмотреть динамику попадания дробинки в бронеплиту.
2. Электромагнитные могут быть востребованы в космосе. Экономия на массе боеприпаса за счёт заряда, меньше отдача (нет импульса от вылетевших газов). Опять же - нет теоретического предела для скорости. На Земле сомнительно - но в принципе не исключено.
3. Жидкие метательные вещества наиболее вероятны к применению, хотя почти 80 лет неудачных опытов оптимизма не вселяют. Впрочем, тут лишь третья степень невозможности (первая - невозможно в принципе, как Вечный Двигатель; вторая - нереализуемо технически, как башня в несколько километров высоты, но с изобретением новых материалов оценка может быть пересмотрена; третья - нецелесообразно экономически). Она обусловлена тем, что уплотнение, которое даёт гильза обычного боеприпаса, здесь отсутствует, так что нужно существенно более высокая точность обработки, соответственно и стоимость, а износ приведёт к потере её, точности пригонки, много ранее, так что срок службы орудия будет невелик. Использование же ЖМВ с гильзой приводит к утрате их преимуществ (хотя какие-то решения с обтюратором могут быть...)

0. Если будут приемлемые по размерам и весу пушки, у которых основная часть траектории снаряда проходит в верхних слоях атмосферы, то это перспективно (стоимость снаряда всегда меньше стоимости межконтинентальной ракеты, а точность на последнем участке траектории можно корректировать, имея управляемый снаряд, это не такая и большая проблема)
1. Согласен (молекулы лёгких газов тоже могут быть быстрыми и медленными, основное значение имеет "толкач" - пороховой заряд, а легкогазовые посредники это липа, конструкторы это уже поняли)
2. Для хорошего электромагнитного импульса нужен мощный источник энергии, обычно его получают с помощью взрыва ВВ, иногда даже ядерного, т.е. заряд (возможно не пороховой) всё-равно нужен. Имеет-ли это смысл, даже в космосе?
3. ЖМВ тоже не очень перспективны, смотрите сами: на заре ракетной эпохи в 50-70 годы прошлого века все крупные ракеты были на жидком топливе, сейчас наблюдается массовый переход к твердотопливным системам, даже Шаттлы пока они летали разгонялись твердотопливными ускорителями, т.е. даже в космической сфере жидкое топливо (в качестве "силового", т.е. для вывода на орбиту) используется всё меньше и меньше.
Вряд-ли ЖМВ получат признание в артиллерии: сложные пушки, химически "злое" сильно активное, опасное, недолговечное в хранении, очень дорогое топливо.
В случае попадания вражеского снаряда в пушку с ЖМВ, потери будут выше, чем от взрыва целого склада обычных боеприпасов.

Думаю, что п.0 может иметь перспективы, а в тактическом плане серьёзных изменений в артиллерии не предвидится.
А вообще, Ваши сообщения по этой теме читать интересно, спасибо.

[Парджеттер]

Евгений Машеров в сообщении #492073 писал(а):

0. Главная проблема тут - воздух. Увеличение начальной скорости при вылете из ствола съестся сопротивлением воздуха (отчасти снимается при сверхдальней стрельбе, когда в плотных слоях лишь начальный и конечный участок траектории, но лишь отчасти), а флуктуации плотности атмосферы резко снижают точность. Поэтому принципиальных изменений на Земле я не ожидаю.

Это как-то не очевидно и требует некоторого серьезного подтверждения. Если это действительно так, то это сильный аргумент против разработки таких систем, чем многие занимаются до сих пор.

Евгений Машеров в сообщении #492073 писал(а):

1. Легкогазовые пушки так и останутся лабораторным стендом. Слишком тяжелы для космоса, на больших дистанциях бесполезны, а задача пробития брони при стрельбе в упор куда дешевле решается кумулятивными боеприпасами. Только исследования, где имеет смысл посмотреть динамику попадания дробинки в бронеплиту.

Рано еще говорить о технологии и эффективности. Вопрос сейчас по-прежнему стоит в том, чтобы приспособить саму идею для повышения скорости обычных снарядов, а не пробок всяких. Нужно реализовать принцип. Или показать, что это невозможно.

Евгений Машеров в сообщении #492073 писал(а):

2. Электромагнитные могут быть востребованы в космосе. Экономия на массе боеприпаса за счёт заряда, меньше отдача (нет импульса от вылетевших газов). Опять же - нет теоретического предела для скорости. На Земле сомнительно - но в принципе не исключено.

По идее они должны затрачивать большую мощность, а значит должна быть большая масса. Во всяком случае раньше для выстрела из электромагнитной пушки нужна была конденсаторная батарея с двухэтажный дом. Поэтому в космосе сомнительно применение такого рода штуковин.

[sergeyvz]

Основная проблема электромагнитной рельсовой пушки (рельсотрона) - изнашивание поверхности рельс после каждого выстрела - до сих пор не решена (и вряд ли будет):

http://www.popmech.ru/article/8254-bah- ... /#comments

[Евгений Машеров]

По пунктам.

1. Сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости. То есть чем больше повышаем начальную скорость - тем больше её потеря, даже в относительном выражении. Наиболее скоростные из реально сейчас применяемых снарядов, ОБПС, достигающие скорости 1600 м/с, имеют сильно вытянутую форму, малое сечение (в несколько раз меньше сечения ствола, и применяются на дальностях порядка километров.
http://www.btvt.narod.ru/4/bps.htm
Влияние флуктуаций атмосферы также возрастает с ростом скорости (изменение силы сопротивления квадратично зависит от скорости v, а время воздействия обратно пропорционально скорости, так что изменение скорости снаряда в результате атмосферного воздействия приблизительно пропорционально скорости, а отклонение от цели - $v^{\frac 3 2}$; в качестве примера - при стрельбе "Парижской пушки" треть снарядов не попала в сам Париж, разорвавшись в окрестностях).
2. Может, и рано. Всего пол-века разрабатывают.
Crozier W.D., Hume W.
High velocity light gas gun. J. Appl. Phys., 1957, v. 28, p. 892-894
(это первая публикация в открытой печати, сами работы начаты перед войной, а принцип сформулировали около ста лет назад).
Но существенных улучшений в плане К.П.Д. не видно. Промежуточное сжатие - крайне расточительный процесс.
3. Возможно, тут спасут ионисторы. "5-12 Вт·ч/кг" (Вики) это получается 18-40 кДж/кг. Пятикилограммовый снаряд, разогнанный до скорости 2000 м/с, это 10 МДж, т.е. 250-500 кг масса накопителей энергии, с учётом К.П.Д. 500-1000 кг. Что сравнимо с массой реального орудия близкого калибра. Другие варианты - маховик-униполярный генератор, такая схема предлагалась в 20-е в проекте ЭМ-пушки (но это, очевидно, стационар) или та же идея, что в легкогазовых, пороховой заряд, как источник энергии, но выигрыш за счёт большего К.П.Д. ЭМ-пушки.

[Парджеттер]

Евгений Машеров в сообщении #533304 писал(а):

1. Сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости. То есть чем больше повышаем начальную скорость - тем больше её потеря, даже в относительном выражении.

Это просто слова. Мало ли кто кому пропорционален. В тех же нелинейных явлениях тоже многие члены пропорциональны квадратам и кубам, только что с того? Вопрос тут в величине коэффициента той самой пропорциональности. Вот ради примера возьмем нарочито упрощенную постановку. Стреляем горизонтально с возвышения высотой $h=10 \text{м}$. Движение тела тогда описывается уравнениями

$$m \ddot x(t) = - c_x \frac{\rho \dot x^2(t)}{2} S \eqno(1)$$

$$m \ddot y(t) = - m g \eqno(2)$$

Из второго уравнения определим время падения снаряда на землю $t_0=\sqrt{2 h/g}$. Будем интересоваться движением по оси $x$ только в течении времени $t_0$. Решение первого уравнения при начальных условиях $x(0)=0$, $\dot x(0) = v_0$ имеет вид

$$x(t)=\frac{m}{A} \ln \left(1+\frac{A v_0}{m} t\right), \quad \text{где } A=c_x \rho S /2 \eqno(3)$$

Построим график $x(t)$ при различных значениях начальной скорости. Возьмем диапазон $v_0 = 200, 400, 600,...., 5000 \text{ м/c}$. Рассмотрим случай $d = 37 \text{ мм}$, $m = 0.7 \text{ кг}$, $\rho = 1.2 \text{ кг/м}^3}$. Сначала пусть $c_x =1$ как у кирпича. Тогда получим

(РИСУНОК 1)

Здесь нижняя кривая отвечает скорости 200, а верхняя - 5000. Те, что между ними идут с шагом 200 по скорости. Линии с увеличением скорости заметно сгущаются. Видно, что увеличение скорости на малых скоростях дает более существенный прирост к дальности, чем такое же увеличение на больших. Логично. В частности, при увеличении скорости от 400 до 600 получим выигрыш в дальности 172 м, а при увеличении от 4800 до 5000 получим выигрыш в 38 м. Их отношение 4.5.

А теперь возьмем более реальный случай $c_x=0.4$. Тогда та же картинка выглядит так

(РИСУНОК 2)

Тут уже разница не так велика, как на предыдущем рисунке. К примеру, при увеличении скорости от 400 до 600 мы получим выигрыш в 225 м, а при увеличении с 4800 до 5000 получим 80 м. Тут отношение уже 2.8. А если взять увеличение с 1400 до 1600 (за что боролись раньше), то получим прирост в 160 м. То есть в 2 раза всего лишь. А в силу того, что классическая артиллерия имеет совершенно точно установленный теоретический предел скорости, то тут вопрос стоит не так. А примерно так - можно ли увеличить скорость до 2500 м/с? Ответ, конечно же, - можно. Но только есть еще ряд других факторов. Например, надежность, ресурс и т.д.

-- 31 янв 2012, 20:02 --

Евгений Машеров в сообщении #533304 писал(а):

Может, и рано. Всего пол-века разрабатывают.
Crozier W.D., Hume W.
High velocity light gas gun. J. Appl. Phys., 1957, v. 28, p. 892-894
(это первая публикация в открытой печати, сами работы начаты перед войной, а принцип сформулировали около ста лет назад).
Но существенных улучшений в плане К.П.Д. не видно. Промежуточное сжатие - крайне расточительный процесс.

Логика в этом есть. Кстати, спасибо за ссылку.

[Oleg Zubelevich]

Парджеттер в сообщении #533500 писал(а):

Движение тела тогда описывается уравнениями

$$m \ddot x(t) = - c_x \frac{\rho \dot x^2(t)}{2} S \eqno(1)$$

$$m \ddot y(t) = - m g \eqno(2)$$

скажите, а почему сила сопротивления действует только вдоль оси x и зависит только от $\dot x$?
Вообще-то уравнения движения материальной точки в среде с квадратичным сопротивлением имеют вид
$m\mathbf{\dot v}=m\mathbf{g}-k|\mathbf {v}|\mathbf{v},\quad k>0$

[sergeyvz]

Вот хорошая книжка по баллистике:
Ballistics: Theory and Design of Guns and Ammunition (pdf)

Кстати, баллистика при скоростях снаряда для рейлгана (5-7 Маха) тоже оценивалась:

http://warships1discussionboards.yuku.c ... ply-223699

Цитата:

As a DARPA report noted:
http://oai.dtic.mil/oai/oai?verb=getRec ... =ADA278426
("Advanced Conventional Armaments Technology Panel Report Supplement: Cannon and Rocket Parametric Tradeoff Analyses", 1988)

[sergeyvz]

Евгений Машеров в сообщении #533304 писал(а):

Наиболее скоростные из реально сейчас применяемых снарядов, ОБПС, достигающие скорости 1600 м/с, имеют сильно вытянутую форму, малое сечение

Помимо вытянутых, баллистиками рассматривались довольно любопытные формы:

http://warships1discussionboards.yuku.c ... ply-221546

Цитата:

This projectile is a little difficult to picture. A 155mm simi-cork-screw projectiles at Mach five with projectile lengths of 6, 7, and 8 calibers have demonstrated Cd’s of 0.089, 0.093, and 0.099 respectively

[Парджеттер]

Oleg Zubelevich в сообщении #533539 писал(а):

Вообще-то уравнения движения материальной точки в среде с квадратичным сопротивлением имеют вид
$m\mathbf{\dot v}=m\mathbf{g}-k|\mathbf {v}|\mathbf{v},\quad k>0$

Я никогда об этом не задумывался, кстати говоря. Аэродинамики вроде бы считают, что $F_x=c_x \frac{\rho V^2_{\infty}}{2} S$ и $F_y=c_y \frac{\rho V^2_{\infty}}{2} S$ (ну там еще плюс некий угол атаки). Собственно, даже у Ландау это написано. Тут же всё дюже эмпирически. Но вот в той книжке, что подкинул sergeyvz делают так, как Вы написали. Наверное так надо делать, когда речь идет о материальных точках, а не обтекании.

Oleg Zubelevich в сообщении #533539 писал(а):

скажите, а почему сила сопротивления действует только вдоль оси x и зависит только от $\dot x$?

Ответ на этот вопрос не зависит от того, как считать силу сопротивления и совершенно очевиден. В рассматриваемом случае $\dot x(t) \gg \dot y(t)$. Поэтому $|\vec V| \approx \dot x(t)$.

[Oleg Zubelevich]

Парджеттер в сообщении #533590 писал(а):

Аэродинамики вроде бы считают, что $F_x=c_x \frac{\rho V^2_{\infty}}{2} S$ и $F_y=c_y \frac{\rho V^2_{\infty}}{2} S$ (ну там еще плюс некий угол атаки). Собственно, даже у Ландау это написано.

Ландау не читал, но думаю, что эти формулы написаны из соображений размерности. Это тоже квадратичное сопротивление, но записанное для для протяженного объекта, который не меняет положения относительно потока, набегающего со скоростью $\mathbf{V}_\infty$. Так?

Парджеттер в сообщении #533590 писал(а):

Тут же всё дюже эмпирически.

Естественно, турбулентность-с.

Парджеттер в сообщении #533590 писал(а):

Ответ на этот вопрос не зависит от того, как считать силу сопротивления и совершенно очевиден. В рассматриваемом случае $\dot x(t) \gg \dot y(t)$. Поэтому $|\vec V| \approx \dot x(t)$.

А мне вот совершенно не очевиден.
Я подставляю Ваши приближения во второй закон Ньютона, используя формулы, которые Вы используете
$F_x= - c_x \frac{\rho |\mathbf{v}|^2}{2} S,\quad F_y= - c_y \frac{\rho |\mathbf{v}|^2}{2}S $
но уравнений

$$m \ddot x(t) = - c_x \frac{\rho \dot x^2(t)}{2} S \eqno(1)$$

$$m \ddot y(t) = - m g \eqno(2)$$

не получаю.
Во втором уравнении чего-то не хватает.

[Евгений Машеров]

Аэродинамики чаще всего ограничиваются случаем горизонтального полёта. В артиллерии горизонтальным можно считать лишь малый участок траектории при вершине, а при дальней стрельбе значительные части траектории имеют угол к горизонту около 45 градусов. Что, соответственно, даёт $\dot {x} \approx \dot {y}$

[Парджеттер]

Oleg Zubelevich в сообщении #533662 писал(а):

Во втором уравнении чего-то не хватает.

Да я просто выкинул этот член для простоты. Совершенно сознательно. Для оценки минимального времени. Вообще-то, тут, конечно, есть над чем подумать и посмотреть порядки. По-видимому, при бОльших начальных скоростях будут бОльшие времена полета (т.к. сила сопротивления будет замедлять падение, а в проекции на ось $y$ она будет примерно $\dot x(t) \dot y(t)$. Но тогда промежутки на больших скоростях будут еще больше, а это как раз говорит в пользу того, о чем я утверждаю.

Oleg Zubelevich в сообщении #533662 писал(а):

Ландау не читал, но думаю, что эти формулы написаны из соображений размерности. Это тоже квадратичное сопротивление, но записанное для для протяженного объекта, который не меняет положения относительно потока, набегающего со скоростью $\mathbf{V}_\infty$. Так?

Да, Вы все правильно говорите. И насчет исходных уравнений тоже.

Евгений Машеров в сообщении #533665 писал(а):

В артиллерии горизонтальным можно считать лишь малый участок траектории при вершине, а при дальней стрельбе значительные части траектории имеют угол к горизонту около 45 градусов. Что, соответственно, даёт $\dot {x} \approx \dot {y}$

Как эти общие слова из энциклопедии относятся к приведенному примеру, где стрельба горизонтальна, и, самое главное, к тому, что увеличение скорости съедается сопротивлением воздуха?

[Евгений Машеров]

Ну, в учебниках по баллистике вообще начинают с реального закона сопротивления. Который квадратичный лишь приблизительно, а задаётся эмпирически.
Но я, собственно, не о том, что "невозможно в принципе", а о том, что нецелесообразно.
Вообще, полезно "невозможность" разделять на три ранга:
1. Невозможно в принципе (вечный двигатель).
2. Невозможно технически (башня в несколько километров; новые материалы могут сделать возможным)
3. Невыгодно экономически (тоннель США-Европа).